Asfalto avanzado de autocuración reforzado por estructuras de grafeno: una visión atomística

Summary

El nanocompuesto de asfalto modificado con grafeno ha demostrado una capacidad avanzada de autocuración en comparación con el asfalto puro. En este protocolo se han aplicado simulaciones de dinámica molecular para comprender el papel del grafeno en el proceso de autocuración y explorar el mecanismo de autocuración de los componentes del asfalto desde el nivel atomístico.

Abstract

El grafeno puede mejorar las propiedades de autocuración del asfalto con una alta durabilidad. Sin embargo, los comportamientos de autocuración del nanocompuesto de asfalto modificado con grafeno y el papel del grafeno incorporado aún no están claros en esta etapa. En este estudio, las propiedades de autocuración del asfalto puro y el asfalto modificado con grafeno se investigan a través de simulaciones de dinámica molecular. Se introducen bultos de asfalto con dos anchos de grieta y ubicaciones para el grafeno, y se analizan las interacciones moleculares entre los componentes de asfalto y la lámina de grafeno. Los resultados muestran que la ubicación del grafeno afecta significativamente los comportamientos de autocuración del asfalto. El grafeno cerca de la superficie de la grieta puede acelerar en gran medida el proceso de autocuración al interactuar con las moléculas aromáticas a través del apilamiento π-π, mientras que el grafeno en el área superior de la punta de la grieta tiene un impacto menor en el proceso. El proceso de autocuración del asfalto pasa por la reorientación de las moléculas aromáticas de asfalteno, aromático polar y nafteno, y el puente de moléculas saturadas entre las superficies de grietas. Esta comprensión profunda del mecanismo de autocuración contribuye al conocimiento de la mejora de las propiedades de autocuración, lo que ayudará a desarrollar pavimentos de asfalto duraderos.

Introduction

El deterioro bajo las cargas diarias de vehículos y las condiciones ambientales variantes, y el envejecimiento del asfalto durante el servicio resultan en degradación o incluso fallas estructurales, es decir, agrietamiento y desvarío, lo que puede debilitar aún más la durabilidad de los pavimentos de asfalto. La respuesta inherente del asfalto para reparar microgrietas y vacíos automáticamente lo ayuda a recuperarse de los daños y restaurar la resistencia¹. Esta capacidad de autorreparación puede extender considerablemente la vida útil del asfalto, ahorrar costos de mantenimiento y reducir la emisión de gases de efecto invernadero ^2,3. El comportamiento de autocuración del asfalto generalmente depende de varios factores influyentes, incluida su composición química, el grado de daño y las condiciones ambientales⁴. Se desea la capacidad mejorada de autocuración del asfalto que puede curar completamente el daño en un corto período de tiempo; esto ha atraído un amplio interés de investigación en un mejor rendimiento mecánico y durabilidad para pavimentos asfálticos dentro de la ingeniería civil.

Los métodos novedosos para mejorar la capacidad de autocuración del asfalto incluyen principalmente tres enfoques: inducir el calentamiento, la curación por encapsulación e incorporar nanomateriales, que se pueden aplicar individualmente o simultáneamente.^5,6. Inducir el calentamiento puede mejorar significativamente la movilidad del asfalto y activar su autocuración para la recuperación.⁷. La tecnología de autocuración del asfalto mediante la inducción del calentamiento se puede atribuir a la técnica de autocuración asistida, que indica que las propiedades de autocuración del asfalto se mejoran mediante estímulos externos. El objetivo de agregar las fibras de lana de acero es mejorar la conductividad eléctrica para aumentar la capacidad de curación del aglutinante asfáltico.⁸. El enfoque para inducir calor es exponer estas fibras eléctricamente conductoras al campo electromagnético alterno de alta frecuencia, que puede inducir corrientes de Foucault, y la energía térmica puede difundirse en el aglutinante de asfalto por las fibras conductoras.⁹. Las fibras de lana de acero mejoran no solo la conductividad eléctrica sino también la conductividad térmica, las cuales pueden afectar positivamente las propiedades de autocuración del asfalto. Sin embargo, es difícil seleccionar el tiempo de mezcla adecuado para las fibras.¹⁰. La longitud de las fibras disminuye con el aumento del tiempo de mezcla e influye en la conductividad térmica, mientras que la disminución del tiempo de mezcla conduce a grupos de fibras e impide las propiedades mecánicas del asfalto.⁹. El método de encapsulación puede suministrar componentes ligeros de asfalto envejecido, como aromáticos y saturados, y refrescar la capacidad de autocuración del asfalto.^11,12. Sin embargo, este es un tratamiento de una sola vez, y los materiales curativos no se pueden reponer después de la liberación. Con el desarrollo de la nanotecnología, los nanomateriales se han convertido en modificadores prometedores para mejorar los materiales a base de asfalto. Los aglutinantes asfálticos incorporados con nanomateriales presentan mejor conductividad térmica y propiedades mecánicas¹³. El grafeno con excelente rendimiento mecánico y alto rendimiento térmico se considera un excelente candidato para mejorar la capacidad de autocuración del asfalto.^14,15,16,17. El aumento de las propiedades curativas del asfalto modificado con grafeno se puede atribuir al hecho de que el grafeno aumenta la capacidad del aglutinante asfáltico para calentarse y producir transferencia de calor dentro del aglutinante asfáltico, lo que significa que el asfalto modificado con grafeno se puede calentar más rápidamente y alcanzar hasta una temperatura más alta que el asfalto puro.¹⁸. El calor generado se puede transferir a través del asfalto modificado con grafeno a una velocidad más rápida que a través del asfalto puro. La región de grieta del aglutinante de asfalto puede ser influenciada fácilmente y curada más rápido por el flujo de calor con mayor temperatura y mayor capacidad de calentamiento. La reacción de autocuración comenzará si la energía que es igual o mayor que la energía de activación curativa existe en la superficie de la grieta del asfalto.¹⁹. El grafeno puede mejorar el rendimiento de curación de la activación térmica y acelerar la tasa de curación del asfalto^19,20. Además, el grafeno puede ahorrar energía de calefacción hasta en un 50% durante el proceso de curación, lo que puede beneficiar la eficiencia energética y reducir los costos de mantenimiento.²¹. Como material absorbente de microondas, se informa que el grafeno mejora la capacidad de curación del asfalto durante el período de descanso del calentamiento por microondas.²². Se espera que la adición de grafeno en el asfalto mejore no solo el rendimiento mecánico, sino también la capacidad de autocuración y ahorro de energía, lo que requiere un conocimiento profundo del mecanismo de autocuración.

La autocuración a nanoescala se debe principalmente a la humectación y difusión de moléculas de asfalto en las caras fracturadas²³. Como el asfalto consiste en varias moléculas polares y no polares, su capacidad de autocuración está fuertemente relacionada con las interacciones moleculares y los movimientos de las moléculas de asfalto de diferentes componentes¹. Sin embargo, la investigación actual se basa principalmente en técnicas experimentales para cuantificar las propiedades mecánicas macroscópicas, lo que provoca la falta de información en el cambio de microestructuras y las interacciones entre las moléculas de asfalto al tratar de comprender el mecanismo de curación. El mecanismo de refuerzo del grafeno en la capacidad de autocuración del asfalto tampoco está claro en esta etapa. Las simulaciones de dinámica molecular (DM) desempeñan un papel influyente en la investigación de las interacciones moleculares y los movimientos de los sistemas nanocompuestos, y vinculan la deformación microestructural con las interacciones y movimientos moleculares 24,25,26,27,28,29,30,31 . Las simulaciones md se han vuelto cada vez más populares para analizar comportamientos de materiales a los que los experimentos^32,33 no pueden acceder fácilmente. Los estudios existentes han demostrado la viabilidad y disponibilidad de simulaciones md en sistemas de asfalto; la cohesión, adhesión, envejecimiento y propiedades termomecánicas del asfalto y los compuestos de asfalto pueden ser exploradas por simulaciones MD 34,35,36,37. Los comportamientos de autocuración del asfalto también pueden predecirse mediante simulaciones md 38,39,40. Por lo tanto, se cree que la investigación utilizando simulaciones de MD es una forma efectiva de comprender tanto los mecanismos de autocuración como los de refuerzo.

Los objetivos de este estudio son investigar los comportamientos de autocuración de los nanocompuestos de asfalto puro y grafeno modificado y comprender el papel del grafeno en la mejora de la capacidad de curación del asfalto a través de simulaciones md. Las simulaciones de autocuración de asfalto puro y compuestos asfálticos modificados con grafeno se llevan a cabo mediante la introducción de grietas en las estructuras iniciales. Las capacidades de autocuración se caracterizan por el contorno de los números de átomos, la reorientación y el entrelazamiento de moléculas en la cara fracturada y la movilidad de los componentes de asfalto durante los procesos de autocuración. Al investigar la eficiencia curativa del grafeno en diferentes sitios, se revela el mecanismo de refuerzo del grafeno que contribuye a las capacidades de autocuración del asfalto, lo que puede ayudar con el monitoreo de nanoconductores de manera óptima y así permitir la extensión de la vida útil de los pavimentos asfálticos. Una investigación de la capacidad de autocuración a escala atomística puede proporcionar una forma eficiente de desarrollar materiales avanzados a base de asfalto para futuras investigaciones.

Según la química del asfalto, el asfalto consiste en varios tipos de hidrocarburos y no hidrocarburos con diferente polaridad y formas, que se pueden dividir principalmente en los cuatro componentes de asfalteno, aromáticos polares, aromáticos naftenenos y saturados^41,42. Las moléculas de asfalteno son relativamente más grandes y pesadas que otras moléculas en el asfalto, con una masa atómica media de aproximadamente 750 g / mol y un diámetro molecular en el rango de 10-20 Å. Se ha aceptado ampliamente que el asfalteno está compuesto por grandes núcleos aromáticos que contienen heteroátomos y están rodeados por diferentes longitudes de grupos alquilo⁴³. Se construye una molécula de asfalteno modificada, como se muestra en la Figura 1a. Las moléculas de aromáticos polares y aromáticos naftenenos se construyen en base a la polaridad y la relación de elementos de las moléculas de asfalto, con benzobisbenzotiofeno (C₁₈H₁₀S₂) representando la molécula aromática polar y 1,7-dimetilnaftaleno (C₁₂H₁₂) elegido como la molécula aromática de nafteno representativa, como se muestra en la Figura 1b-c. El N-docosano (n-C ₂₂H₄₆) se construye como se muestra en la Figura 1d. Los parámetros enumerados en la Tabla 1 para las moléculas de asfalto se seleccionan y utilizan para cumplir con los criterios deseados, incluida la fracción de masa elemental, la relación atómica y la relación aromática / alifática, del asfalto real de los experimentos⁴¹. La misma relación de masa se ha definido en nuestros estudios anteriores, y las otras propiedades termomecánicas como la densidad, la temperatura de transición vítrea y la viscosidad están en buen acuerdo con los datos experimentales del asfalto real³⁶. La estructura molecular del grafeno aplicada en este estudio se muestra en la Figura 1e. La lámina de grafeno adoptada en este estudio no tiene defecto ni pliegue en comparación con la del caso real, mientras que la hoja de grafeno real suele tener varios defectos como vacantes atómicas y defectos de Stone-Wales⁴⁴, y algunas de las láminas de grafeno se pueden plegar durante el proceso de mezcla en la matriz asfáltica⁴⁵. Estas situaciones imperfectas no se consideran en este estudio, ya que nos centramos en el efecto del sitio de la lámina de grafeno sobre las propiedades de autocuración y lo elegimos como la única variable. Las variables de las láminas de grafeno en cuanto a los defectos y casos plegados serán el foco de nuestros futuros estudios. La relación de masa de grafeno a asfalto en este estudio es de 4.75%, que es la situación normal (<5%) para el asfalto modificado con grafeno en el experimento^46,47.

Figura 1: Estructura química. Los modelos atomísticos de (a) molécula de asfalteno (C₅₃H₅₅NOS), (b) molécula aromática de nafteno (C₁₂H₁₂), (c) molécula aromática polar (C₁₈H₁₀S₂), (d) molécula saturada (C₂₂H₄₆), (e) grafeno y (f) asfalto puro. Para el modelo de asfalto atomístico, los átomos de carbono, oxígeno, nitrógeno, azufre e hidrógeno se muestran en gris, rojo, azul, amarillo y blanco, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Modelo de asfalto	Masa (g/mol)	Fórmula química	Número de moléculas	Masa total (g/mol)	Fracción de masa (%)
Asfalteno	754.04	C53H55NOS	43	32423.72	26
Nafteno aromático	156.22	C12H12	65	10154.3	8
Aromático polar	290.38	C18H10S2	74	21485.16	17
Saturar	310.59	C22H46	205	63670.95	49
Aglutinante asfáltico			387	127734.13	100
Grafeno	6369.28	C525H63	1	6369.28

Tabla 1: Componentes generales del modelo de asfalto puro y del modelo de asfalto modificado con grafeno.

Con respecto al protocolo descrito a continuación, se insertan dos tipos de grietas en forma de cuña con diferentes tamaños en el medio del modelo de asfalto con una punta de grieta roma y dos superficies de grietas paralelas, mientras que el área media-superior del granel de asfalto permanece intacta. Se eligen dos anchos de grieta como 15 Å y 35 Å, como se muestra en la Figura 2a-b. La razón para seleccionar 15 Å es que el ancho de la grieta debe ser más ancho que el límite de 12 Å para evitar la autocuración temprana de las moléculas de asfalto durante el proceso de equilibrio mientras se investiga un caso extremo para una pequeña grieta. La razón para seleccionar 35 Å es que el ancho de la grieta debe ser más ancho que la longitud de las moléculas saturadas de 34 Å para evitar el efecto puente. La altura de la grieta es de 35 Å, la misma que el ancho de la caja, y la profundidad de la grieta es de 70 Å, la misma que la longitud de la caja. En la situación real, los tamaños de microfibras observados se pueden variar en el rango de varios micrómetros a varios milímetros, que es mucho más grande que la escala de longitud que estamos modelando aquí. Normalmente, la escala de longitud en la simulación de MD se limita a la escala de 100 nm, que sigue siendo varios órdenes de magnitud más pequeña que el tamaño real de la grieta. Sin embargo, las grietas se inician a nanoescala y se convierten en grietas a macroescala con deformación continua⁴⁸. La comprensión del mecanismo de autocuración a nanoescala puede ayudar a prevenir el crecimiento y la propagación de la grieta a macroescala. A pesar de que los tamaños de grieta seleccionados están en el rango de nanómetros, los resultados aún pueden ser influyentes y aplicables para explorar los comportamientos de autocuración de las moléculas de asfalto. Hay dos ubicaciones para las láminas de grafeno en las áreas de grieta: una está en la parte superior de la punta de la grieta y la otra es perpendicular a la superficie de la grieta izquierda. Se ha encontrado que estas son las posiciones más comunes para el grafeno en nanocompuestos modificados con grafeno con grietas⁴⁹.

Figura 2: Los esquemas de autocuración para asfalto puro y asfalto modificado con grafeno. El modelo de autocuración de asfalto puro con un ancho de grieta de (a) 15 Å y (b) 35 Å. El modelo de autocuración del asfalto modificado con grafeno con la lámina de grafeno se encuentra (c) en la parte superior de la punta de la grieta y (d) perpendicular a la superficie de la grieta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En las simulaciones de MD, las interacciones intramoleculares e intermoleculares en los nanocompuestos de asfalto son descritas por el Campo de Fuerza de Valencia Consistente (CVFF)⁵⁰, que funciona bien con materiales a base de asfalto y grafeno. La forma funcional de CVFF se expresa como la siguiente expresión:

1

Aquí, la energía total E_total se compone de los términos de energía enlazada y los términos de energía no enlazada. Las interacciones enlazadas consisten en el estiramiento del enlace covalente, la energía de flexión del ángulo de enlace, la rotación del ángulo de torsión y las energías impropias expresadas en los primeros cuatro términos. La energía no enlazada incluye una función LJ-12-6 para el término van der Waals (vdW) y una función coulombica para las interacciones electrostáticas. CVFF ha sido ampliamente empleado en la simulación de materiales^{asfálticos 51,52}. Las propiedades físicas y mecánicas simuladas, como la densidad, la viscosidad y el módulo a granel, están en buen acuerdo con los datos experimentales, lo que demuestra la confiabilidad de CVFF⁵¹. CVFF no solo es adecuado para materiales inorgánicos, sino que también se ha empleado con éxito en estructuras que consisten en fases orgánicas e inorgánicas como asfalto-sílice⁵² y el sistema de epoxi-grafeno⁵³. Además, las interacciones interfaciales entre el grafeno y el asfalto se pueden caracterizar por CVFF^36,54. Dado que la parte principal en la selección del campo de fuerza es determinar la interfaz asfalto-grafeno, las interacciones no enlazadas descritas por CVFF son más confiables, lo que también se considera en nuestro estudio anterior³⁶. En general, el campo de fuerza CVFF se adopta en este estudio. Las cargas parciales para diferentes tipos de átomos se calculan mediante el método asignado al campo de fuerza.

Protocol

1. Construir los modelos atomísticos Abra el software Materials Studio para crear cinco documentos atomísticos 3D y cambie el nombre de estos documentos como grafeno, asfalteno, aromáticos polares, aromáticos de nafteno y saturados, respectivamente. Cree el modelo de grafeno creando la celda unitaria de la hoja de grafeno en el documento atomístico 3D utilizando la opción Esbozar átomo. Construya la estructura final utilizando la opción Supercell en …

Representative Results

El contorno del número de átomosLos contornos del número de átomos de asfalto puro y modelos de asfalto modificado con grafeno en el plano yz se muestran en la Figura 3, donde la barra de color de azul a rojo exhibe números de átomos que varían de 0 a 28. La Figura 3a-c ilustra el contorno del número de átomos de las estructuras con un ancho de grieta de 15 Å en asfalto puro y nanocompuestos de asf…

Discussion

Los pasos críticos dentro de la parte del Protocolo son los siguientes: paso 1.4 – Construir y empacar los cuatro tipos de moléculas de asfalto; paso 1.5 – Construir la estructura de asfalto con la grieta; paso 2.3 – Lograr el equilibrio; paso 2.4 – Realizar el proceso de autocuración. Estos pasos indican los contenidos más cohesivos e importantes del protocolo. Para crear las formas deseadas de la grieta insertada, el proceso de embalaje se modifica en comparación con el embalaje normal en Materials Studio. La form…

Materials

Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio	BIOVIA	Materials Studio 8.0	The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package	Sandia National Laboratories	lammps-stable20	The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.
OVITO	Materials Science Department of Technische Universität Darmstadt, Germany	ovito-basic-3.1.0-win64	The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.
Origin	OriginLab	Origin 2018 64Bit	The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.